[发明专利]一种基于全景图的单牙提取方法

权利要求书

1.一种基于全景图的单牙提取方法，其特征在于，包括：

步骤1，提取牙槽骨前景图；

步骤2，根据步骤1得到的牙槽骨前景图生成牙齿全景图；

步骤3，根据步骤2得到的牙齿全景图生成上下颌分离线；

步骤4，根据步骤2得到的牙齿全景图生成相邻牙齿分割线；

步骤5，使用步骤3得到的上下颌分离线与步骤4得到的相邻牙齿分割线将单牙从三维口腔CT中提取出来；

步骤6，对生成的三维单牙CT图像堆进行后处理；

其中各个步骤的具体实施过程如下：

如步骤1所述的提取牙槽骨前景图，具体实施过程：

1.1.采集患者的原始三维口腔CT图像堆,计算三维口腔CT图像堆在轴向方向上的最大密度投影图；

1.2.使用大津算法(OTSU)计算步骤1.1中最大密度投影图的阈值，在阈值计算过程中需排除背景像素对阈值的干扰、影响；使用这个阈值对步骤1.1中最大密度投影图进行二值化操作，得到牙槽骨的掩模二值图像；

1.3.使用形态学关操作对步骤1.2中得到的牙槽骨的掩模二值图像进行处理，去除牙槽骨掩模图像中的噪点，得到二值的牙槽骨掩模图像；

1.4.将步骤1.3得到的二值牙槽骨掩模图像与步骤1.1得到的最大密度投影图进行AND操作，提取出最大密度投影图上的牙槽骨区域，得到牙槽骨前景图；

如步骤2所述的生成牙齿的全景图，具体实施过程：

2.1在步骤1最后得到的牙槽骨前景图上，人工在每个牙齿的牙冠部分选点，得到n个牙齿的牙冠点；

2.2使用n+1阶的贝塞尔样条，对步骤2.1选中的n个牙齿的牙冠点生成贝塞尔样条，作为拟合的牙弓曲线，并且得到所述牙弓曲线上每个拟合点的切线方向；

n阶贝塞尔样条曲线及其一阶微分公式为：

其中，b_i,n(t)为伯恩斯坦系数，定义如公式(3)所示；t为控制向量；P_i为步骤2.1中选中的第i个牙齿牙冠点；n为选中的牙齿牙冠点总个数；

其中b_i,n(t)为伯恩斯坦多项式，t为控制向量；n为牙齿牙冠点的个数，公式(3)中t与n的定义与公式(1)中的定义相同；

2.3将步骤2.2中拟合的牙弓曲线映射在步骤1.3中得到的二值牙槽骨掩模图像上，对映射后的牙弓曲线上的每一个点进行遍历；

2.3.1在映射的二值牙槽骨掩模图像中，计算每一点的法向在牙槽骨范围内的长度；

2.4选出步骤2.3最后得到的牙槽骨范围内，每个点法向最大的距离作为生成全景图法线扫描的最大距离；

2.5对每一层的原始三维口腔CT图像堆进行遍历；

2.5.1在每一层的CT二维图像上，将步骤2.2中拟合的牙弓曲线映射到该层图像上；

2.5.2对步骤2.5.1中映射的牙弓曲线上的每一个点进行遍历；

2.5.2.1对每一个点的法向进行像素遍历，遍历长度为步骤2.3中得到的生成全景图法线扫描的最大距离；

2.5.2.2将步骤2.5.2.1得到的法向遍历后的像素取最大值作为全景图上的一点；

2.5.3将步骤2.5.2最后得到的一个个点依次排列起来，得到全景图上的一行像素；

2.6将步骤2.5最后得到的一行行像素依次排列起来，得到最终生成的全景图；

如步骤3所述的生成上下颌分离线，具体实施过程：

3.1将步骤2最后得到的全景图使用全局直方图均衡的方法进行图像增强，得到增强后的全景图；

3.2将步骤2.1中人工在牙槽骨前景图选出的n个牙齿牙冠部分的点映射到步骤3.1中得到的增强后的全景图上，在全景图上映射为n个穿过牙齿中心的分割线；

3.3取步骤3.2中得到n个的分割线，遍历每一条分割线；

3.3.1依次取分割线上的像素值，计算分割线上像素值的波峰，得到两个像素值最大的波峰；

3.3.2计算步骤3.3.1中得到的这两个波峰位置的中间值，作为这一对上下牙的上下颌分界点；

3.4取步骤3.3最后得到的m个上下颌分界点，使用m+1阶贝塞尔样条对m个上下颌分界点进行拟合，得到上下颌分离线；

3.5当存在因智齿、坏牙造成对牙齿像素波峰的影响情况时，对步骤3.4中得到的上下颌分离线进行人工修正，得到最后的上下颌分离线；

如步骤4所述的生成相邻牙齿分割线，具体实施过程：

4.1人工将步骤2最后得到的全景图的范围缩小到只包含全部牙齿的最小范围；

4.2将步骤4.1中得到的全景图使用全局直方图均衡的方法进行图像增强，得到增强后的全景图；

4.3将步骤2.1中人工在牙槽骨前景图选出的牙齿牙冠部分的点映射到步骤4.2中得到增强后的全景图上，在全景图上映射为穿过牙齿中心的分割线，得到全景图上的分割线；

4.4以步骤4.3中得到的分割线为界，将步骤4.2中得到的全景图进行分段，得到若干段图像，每一段图像包含相邻牙齿的中间部分；

4.5遍历步骤4.4中得到的每一段图像；

4.5.1将步骤4.4中得到的每一段图像从上到下进行20均分，得到19条均分的分界线；

4.5.2遍历步骤4.5.1中得到的每一条分界线；

4.5.2.1取得分界线上的像素值，计算分割线上像素值的波谷；

4.5.2.2将步骤4.5.2.1中得到的分界线上像素值最小的波谷位置，作为这条分界线上相邻左右牙的分割点；

4.5.2.3计算这一条分界线上像素值的标准差，提供给步骤4.5.3进行聚类分类；

4.5.3剔除无意义分界点：

使用K-means算法对步骤4.5.2.3得到的这19条分界线上像素值的标准差进行聚类分类，取分类结果里标准差均值最小的那一类，将包含在这一类中的分界线所得到的相邻牙齿分割点从19个相邻左右牙齿的分割点中剔除，避免无意义分界点对左右相邻牙齿的分界线造成影响，得到最终的k个分割点，k≤19；

4.5.4使用k+1阶贝塞尔样条对步骤4.5.3中得到的每一段图像上k个相邻牙齿中间分割点进行拟合，得到这一段图像上的相邻牙齿分割线；

4.5.5将步骤4.5.4得到的这一段图像上的相邻牙齿分割线映射到步骤4.2中得到的增强的全景图上；

4.6当存在因智齿、坏牙造成对牙齿像素波峰的影响情况时，对步骤4.5最后得到的每对相邻牙齿分割线进行人工修正，得到最后的相邻牙齿分割线；

如步骤5所述的将单牙从三维口腔CT中提取出来，具体实施过程为：

5.1计算步骤3最后得到的上下颌分离线与步骤4最后得到的相邻牙齿分割线的交点，根据所述交点将上下颌分离线和相邻牙齿分割线进行划分，得到各个牙齿的分割线；

5.2用户选择所需单牙，得到该牙齿的轮廓线；

5.3根据步骤5.2轮廓线，计算这颗单牙的边框；

5.4将步骤5.3中得到的单牙边框映射回步骤1最后得到的牙槽骨前景图中，得到这个单牙在牙槽骨前景图上的限制位置；

5.5遍历三维口腔CT图像堆的每一层；

5.5.1将步骤2.2得到的牙弓曲线映射在每一层图像上；

5.5.2将步骤5.4得到的单牙在牙槽骨前景图上的限制位置映射到每一层图像上，将单牙的限制位置与步骤5.5.1中的牙弓曲线相对应，可以得到这一层图像上在单牙限制位置范围内的牙弓曲线；

5.5.3遍历这一层图像上步骤5.5.2得到的单牙限制范围内牙弓曲线上的每一点；

5.5.3.1对步骤5.5.3中的每一个点进行法向上的像素遍历，遍历长度为步骤2.3中得到的生成全景图法线扫描的最大距离；

5.5.3.2步骤5.5.3.1中每个点法向遍历所得到的一行像素构成三维单牙CT图像堆中一层图像中的一行像素；

5.5.4将步骤5.5.3最后得到的一行行像素依次排列起来，构成三维单牙CT图像堆的一层图像；

5.6将步骤5.5最后得到的一层层图像依次排列起来，构成三维单牙CT图像堆；

如步骤6所述的对步骤5最后生成的三维单牙CT图像堆进行后处理，去除相邻牙齿的影响，具体实施过程：

6.1沿冠面方向对步骤5最后得到的三维单牙CT图像堆进行每一层的遍历；

6.1.1将步骤5.2得到的牙齿轮廓线映射到每一层的图像上；

6.1.2将步骤6.1.2中每一层图像上的牙齿轮廓线进行封闭操作；

6.1.3将牙齿轮廓线内的像素值保留，而多边形外的像素值归零，避免相邻牙齿的干扰；

6.2步骤6.1操作后得到最终的三维单牙CT图像堆。